Antimon-Nanokristall
Empa
Auf der Suche nach alternativen Batteriematerialien sind Wissenschaftler der Empa und der ETH Zürich möglicherweise einen Schritt weitergekommen: Das Team unter der Leitung von Empa-Forscher Maksym Kovalenko ist es gelungen, gleichmäßige Antimon-Nanokristalle zu synthetisieren.
In Tests mit Laborbatterien können diese nicht nur sehr viele Lithium-, sondern auch Natriumionen speichern. Die Nanokristalle wären deshalb eine viel versprechende Alternative für künftige Elektrodenmaterialien in Batterien mit hoher Ladekapazität. Die Resultate ihrer Studie wurden soeben in der Fachzeitschrift "Nano Letters" veröffentlicht.
Geforscht wird derzeit an neuen Materialien für die nächste Generation von Batterien, die eines Tages Lithium-Ionen-Akkus ersetzen sollen. Diese liefern heutzutage für Smartphones, Laptops und viele weitere tragbare elektronische Geräte zuverlässig Strom. Doch die Elektromobilität und stationäre Energiespeicher verlangen nach mehr und leistungsfähigeren Batterien. Die damit einhergehende hohe Nachfrage nach Lithium könnte zu einem Engpass bei diesem Rohstoff führen, wissen die Schweizer Forscher. Gefordert seien deshalb Batterien, die konzeptionell mit Lithium-Ionen-Batterien identisch sind, aber auf Natriumionen basieren.
Elektroden aus Antimon
Auch dass Antimon schon lange als viel versprechendes Anodenmaterial für leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien galt, da dieses Halbmetall eine doppelt so hohe Ladekapazität wie das derzeit verwendete Graphit aufweist, war den Forschern natürlich bekannt. Erste Studien zeigten dann auch, wie sie weiter berichten, dass sich Antimon für wieder aufladbare Natrium- und Lithium-Ionen-Batterien eignen könnte, weil es beide Arten von Ionen speichern kann. Natrium ist eine mögliche günstigere Alternative zu Lithium, da es viel häufiger vorkommt und gleichmäßiger auf der Erde verteilt ist.
Damit Antimon seine hohe Speicherfähigkeit auch "ausspielt", muss es in eine spezielle Form gebracht werden. Kovalenkos Team hat eine Methode entwickelt, um gleichmäßige, monodisperse Antimon-Nanokristalle mit einer Größe zwischen 10 und 20 Nanometer zu synthetisieren. Nanokristalle haben gegenüber größeren Kristallen Vorteile, wie die Forscher erläutern. Antimon sei beim Laden und Entladen der Ionen großen Volumenveränderungen unterworfen. Bei Nanokristallen seien diese Volumenveränderungen reversibel und laufen schnell ab. "Normales" Antimon würde dabei hingegen brüchig. Ein weiterer wichtiger Vorteil sei, dass Antimon-Nanopartikel mit leitfähigem Kohlenstoff-Füllmaterial vermischt werden können. Das verhindere ein Verklumpen der Nanoteilchen.
Erste Erkenntnisse
Erste Labortests zeigten, wie aus Zürich berichtet wird, dass Elektroden aus Antimon-Nanokristallen eine gleich hohe Leistung für beiden Ionenarten besitzen. Damit seien Antimon-Nanoteilchen besonders für den Einsatz in Natrium-Ionen-Batterien geeignet, weil die derzeit besten Lithiumspeicher - Graphit und Silizium - mit Natrium nicht funktionieren.
Hochgradig gleichmäßige Nanokristalle - nur gerade zehn Prozent oder weniger weichen in ihrer Größe von der Durchschnittsgröße der Partikel ab - erlaubten es den Forscher auch, das beste Verhältnis von Größe zu Leistung zu ermitteln. Die höchste Leistung bieten Antimon-Nanokristalle von 20 Nanometer Größe, fanden die Forscher heraus. Seien die Teilchen 10 Nanometer oder kleiner, werde das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche ungünstig, und sie oxidieren rasch. Kristalle, die größer als 100 Nanometer seien, würden hingegen durch die Volumenänderungen beim Laden und Entladen zerstört.
Eine weitere Erkenntnis ist, wie die Wissenschaftler berichte, dass es für eine hohe Leistung gar nicht so sehr darauf ankommt, ultrauniforme Nanoteilchen in einer Elektrode einzusetzen. Die Forschenden fanden heraus, dass die Partikel zwischen 20 und 100 Nanometern groß sein können, ohne dass die Energiedichte oder die Entlade- und Laderaten darunter leiden. Antimon sei relativ gutmütig, so Kovalenko. Andere Materialien, die die Chemiker untersuchten, seien diesbezüglich weniger tolerant. Steige deren Partikelgröße an, fielen die Leistungsparameter stark ab.
Teurere Alternative
Dass damit eine Alternative zu heutigen Lithium-Ionen-Akkus in Griffweite rücke, davon geht Kovalenko noch nicht aus. Noch sei die Herstellung einheitlicher Antimon-Nanokristalle in ausreichender Menge und Qualität zu teuer - obwohl das Verfahren an sich relativ einfach sei. "Insgesamt sind Batterien mit Natriumionen und Antimon-Nanokristallen als Anodenmaterial nur dann eine viel versprechende Alternative zu heutigen Lithium-Ionen-Akkus, wenn die Kosten für die Batterieherstellung und die Leistung des Stromspeichers vergleichbar sind", betont Kovalenko.
Zurzeit arbeitet Kovalenkos Team zusammen mit einem Industriepartner daran, eine günstigere Synthesemethode zu finden. Bis eine Natrium-Ionen-Batterie mit Antimonelektrode auf den Markt kommen könnte, dürfte es wohl noch mindestens zehn Jahre dauern, schätzt Kovalenko. Die Forschung dazu stehe erst am Anfang. "Aber andere Forschungsgruppen werden bald auf den Zug aufspringen", ist Kovalenko überzeugt.
Weitere Details zu den Forschungsergebnissen können in der Publikation der Wissenschaftler in "Nano Letters" (He M, K Kravchyk, Walter M, Kovalenko MV: Monodisperse Antimony Nanocrystals for High-Rate Li-ion and Na-ion Battery Anodes: Nano versus Bulk. Nano Lett. January 31, 2014. DOI: 10.1021/nl404165c) nachgelesen werden.